垃圾焚燒爐SNCR脫硝效率的影響因素及建議

雷永程，宋薇

（1.武漢武鍋能源工程有限公司，武漢 430220；2.湖北永業(yè)行評估咨詢有限公司，武漢 430062）

引言

SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction）脫硝技術(shù)于20世紀(jì)70年代起源于日本，80年代末在歐盟國家開始工業(yè)應(yīng)用，90年代初進(jìn)入美國[1]。該技術(shù)由丹麥FLOW.VISION有限公司引入我國，隨后美國燃料科技、德國ERC等公司紛紛進(jìn)入中國推廣。

SNCR脫硝技術(shù)具有改造工期短、改造難度小、投資少等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的脫硝技術(shù)，目前，已在我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)中廣泛應(yīng)用及發(fā)展。

1 原理

SNCR脫硝技術(shù)是在一定的（一般是800℃～1000℃）煙氣條件下，向煙氣中噴入脫硝還原劑。在高溫條件下，還原劑迅速地分解成NH3，同時與煙氣中的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將NOx還原成N2與H2O蒸汽。該技術(shù)采用的脫硝還原劑一般為氨水和尿素2種。

氨水作為還原劑時，噴射入高溫?zé)煔夂螅杆贇饣蒒H3和H2O蒸汽。主要化學(xué)反應(yīng)為：

采用尿素作為還原劑時，噴射入高溫?zé)煔夂螅确纸鉃镹H3，同時與煙氣中的NO發(fā)生氧化還原反應(yīng)。主要化學(xué)反應(yīng)為：

2 溫度的影響分析

以各行業(yè)SNCR脫硝工程實(shí)例為基礎(chǔ)，在NH3/NOx混合均勻程度完全相同的前提下，分析不同情況下的溫度對脫硝的影響。

2.1 不同還原劑的最佳反應(yīng)溫度

不同還原劑需要的SNCR脫硝溫度不盡相同。以重慶市某600t/d垃圾焚燒鍋爐和大連市某500t/d垃圾焚燒鍋爐為例。其中，重慶項(xiàng)目還原劑為尿素，大連項(xiàng)目的還原劑為氨水。

重慶項(xiàng)目：在鍋爐負(fù)荷控制在80%，噴射入爐膛的尿素溶液（40%，w/w）控制在49.3kg/h，混合液總量控制在450kg/h時，每隔1min，記錄一次SNCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（氨逃逸率均為0mg/Nm3）。

大連項(xiàng)目：在鍋爐負(fù)荷控制在65%～75%，噴射入爐膛的氨水（20%，w/w）控制在30kg/h，混合液總量控制在180kg/h時，每隔1min，記錄一次SNCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（氨逃逸率均為5～6mg/Nm3）。

根據(jù)測算CEMS檢測點(diǎn)與噴槍的距離，噴射點(diǎn)（脫硝反應(yīng)點(diǎn)）至CEMS的時間約3min，扣除時間上的延遲后，測試結(jié)果如圖1。

圖1 不同還原劑的最佳反應(yīng)溫度

圖1表明，在鍋爐負(fù)荷和還原劑噴入量均不變的情況下，氨水作為還原劑時，NOx的排放量谷值所對應(yīng)的煙氣溫度約825℃；尿素作為還原劑時，NOx的排放量谷值所對應(yīng)的煙氣溫度約930℃。

SNCR脫硝系統(tǒng)比較適宜的反應(yīng)溫度區(qū)域?yàn)?00℃～1000℃，即脫硝反應(yīng)效率較高的溫度區(qū)間。其中，氨水利用率較高的溫度區(qū)間為800℃～870℃；尿素利用率較高的溫度區(qū)間為870℃～970℃。當(dāng)溫度低于該區(qū)間時，反應(yīng)不徹底，即未參加反應(yīng)的NH3增加，使得NH3逃逸率增加，會產(chǎn)生二次污染；當(dāng)反應(yīng)溫度高于該區(qū)間時，NH3的氧化反應(yīng)占主導(dǎo)，增加了還原劑的消耗量，即脫硝效率下降。

2.2 還原劑相同，不同溫度對脫硝效率的影響

以大連市某500t/d垃圾焚燒鍋爐為例，在鍋爐負(fù)荷控制在65%～75%，噴射入爐膛的氨水（20%，w/w）控制在30kg/h，混合液總量控制在180kg/h時，每隔1min，記錄一次SNCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。結(jié)果如圖2。

圖2表明，在鍋爐負(fù)荷不變，噴入鍋爐的氨水量和稀釋水量均不變的情況下，煙氣溫度在825℃時，NOx的排放濃度最低。煙氣溫度偏高或偏低，NOx的濃度均升高。NH3逃逸率值穩(wěn)定地控制在6mg/Nm3以下。

圖2 還原劑耗量不變，不同溫度條件下NOx排放情況

（1）區(qū)間一：780℃～825℃內(nèi)，隨著溫度升高，NOx的濃度降低。主要是因?yàn)闇囟鹊纳撸撓醴磻?yīng)加劇，越來越多的NH3與NOx發(fā)生反應(yīng)，而降低NOx的濃度。

（2）區(qū)間二：825℃～880℃內(nèi)，隨著溫度的升高，NOx的濃度升高。主要原因有：1）溫度升高，NH3與NOx的反應(yīng)減弱，NOx的排放濃度升高；2）煙氣溫度的升高，局部會產(chǎn)生NOx，同樣會增加NOx的濃度。

氨逃逸率穩(wěn)定地控制在6mg/Nm3，而噴氨量不變，說明參與反應(yīng)的NH3量基本不變，即NH3的利用率不變。“區(qū)間一”的斜率的絕對值，比“區(qū)間二”的要低，說明“區(qū)間二”內(nèi)所產(chǎn)生的NOx濃度高于區(qū)間一。即溫度越高，產(chǎn)生NOx的速度越快。

NH3逃逸率一直處于5～6mg/Nm3，說明煙氣中有部分NH3未與NOx發(fā)生反應(yīng)，而直接隨煙氣一起排入大氣。可能是由噴槍霧化的分布不均勻?qū)е隆?/p>

2.3 負(fù)荷不變，溫度升高對脫硝效率的影響

由于垃圾的熱值不同（特別是垃圾焚燒爐），在垃圾投料量不變的情況下，爐膛內(nèi)溫度會出現(xiàn)波動。以大連市某500t/d垃圾焚燒鍋爐為例。該系統(tǒng)噴槍設(shè)置為前墻2支、側(cè)墻各2支，共6支。運(yùn)行時全部啟用。

在鍋爐負(fù)荷80%不變，即垃圾投料量保持不變的情況下，設(shè)定噴射入氨水耗量25kg/h不變，測試不同溫度條件下，通過調(diào)節(jié)混合液總量，使NOx的排放值控制在200mg/Nm3以下。

圖3顯示了煙氣溫度與混合液總量的關(guān)系。趨勢表明：在鍋爐負(fù)荷不變情況下，煙氣溫度升高時，增加混合液的總量，可使NOx排放值保持不變。

根據(jù)程序控制原理：混合液總量=噴氨量+稀釋水量。在噴氨量不變的情況下，混合總量增加，體現(xiàn)為稀釋水量的增加，噴射入爐膛內(nèi)的氨水濃度變低。

圖3 溫度與混合液總量的關(guān)系

混合液總量的增加，說明每支噴槍的流量增加。在噴槍的設(shè)計出力下，流量增加后，噴槍霧化的液滴粒徑會增加，液滴在高溫?zé)煔庵械臍饣瘯r間增加。因此，液滴在氣化的過程中，隨煙氣向上流動至溫度稍低的區(qū)域，氣化后的NH3與NOx在溫度稍低的區(qū)域，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

3 NH3/NOx混合度

NH3與煙氣（NOx）的混合是通過噴槍實(shí)現(xiàn)。NH3與煙氣（NOx）混合得越充分，發(fā)生氧化還原反應(yīng)后，NH3的利用效率越高，脫硝效率也越高，反之越低。

SNCR脫硝還原劑（氨水或尿素溶液），均是以液態(tài)形式噴射入煙氣中，通過噴槍，將液體霧化成無數(shù)個小粒徑的液滴，均勻地分布在煙道截面上。其混合的均勻程度，與噴槍有很大關(guān)系。因此，在SNCR脫硝系統(tǒng)中，噴槍是最為關(guān)鍵的一個設(shè)備。

3.1 噴槍布置

噴槍的布置，涵蓋兩方面：噴槍數(shù)量和噴槍的霧化形式。根據(jù)控制邏輯，正常運(yùn)行時，噴入鍋爐的混合液總量（Q）不變。在一定的煙氣截面積（S）上，布置一定數(shù)量（n）的噴槍，單支噴槍的流量為（）。因此，噴槍的數(shù)量決定了每支噴槍的流量。數(shù)量越多，單支噴槍流量越小，反之越大。

不考慮煙氣自然混合的因素，使還原劑覆蓋整個煙氣截面，則每支噴槍需要覆蓋的一定截面積（）。一定的噴槍流量（）下，噴槍的不同霧化形式，脫硝的效率也不完全一樣。江寶寶[2]等對CFB鍋爐的研究表明，在同樣噴槍數(shù)量下，扇形噴槍噴射速率比圓錐形噴槍大2.8m/s，霧化后粒徑比圓錐形噴槍小9～16μm，更有利于提高脫硝效率。

3.2 噴槍霧化粒徑

噴槍霧化液滴粒徑的大小，決定了NH3與煙氣的接觸面大小。理論上來說，噴槍霧化后的液滴粒徑越小，液滴與煙氣（NOx）的接觸面越大，NH3的利用率越高，脫硝效率越高。然而，液滴越小，質(zhì)量就越小，單個液滴獲得的動量越小，其在煙氣中的阻力作用下，液滴的穿透力衰減極快，導(dǎo)致液滴在煙氣中的覆蓋面小。

因此，霧化后液滴的動量（粒徑大小和速率），直接影響到液滴對煙氣截面的覆蓋率。選擇合適的噴槍參數(shù)，即合適的霧化液滴的動量，成為SNCR脫硝工程成敗的關(guān)鍵。

江寶寶[2]等對不同負(fù)荷和不同的霧化形式下，SNCR脫硝的效率進(jìn)行研究，并研究了噴槍不同出力下的霧化特性。但未對霧化液滴的動量（大小、速率）與脫硝效率的關(guān)系做研究。噴槍最佳的動量（大小、速率），將是SNCR脫硝效率提升的主要研究方向。對SNCR脫硝工程的設(shè)計和效率提升，將起到很明顯的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論及建議

（1）不同還原劑利用率的最佳溫度不同。氨水利用率最高時煙氣溫度約為825℃，較高的溫度區(qū)間800℃～870℃；尿素利用率最高時的煙氣溫度約為930℃，較高的溫度區(qū)間為870℃～970℃。

（2）同一還原劑在不同溫度下的利用率不一樣。在利用率最高所對應(yīng)的煙氣溫度兩側(cè)，離得越遠(yuǎn)，還原劑利用率越低。高溫區(qū)的利用率高于低溫區(qū)。

（3）當(dāng)噴槍處的溫度仍高于最佳反應(yīng)溫度區(qū)間時，可通過增加混合液（還原劑+稀釋水）的總量，達(dá)到較高的脫硝效率。在爐膛產(chǎn)生的初始NOx濃度不變的情況下，即還原劑的耗量不變，則只需通過增加稀釋水的量即可。

SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計時，建議設(shè)置多層噴槍，以適應(yīng)爐膛負(fù)荷調(diào)整時引起的溫度變化。由于爐膛內(nèi)溫度呈現(xiàn)上低下高的分布，當(dāng)高負(fù)荷時，上層噴槍處溫度適合，噴槍自動切換至上層；當(dāng)?shù)拓?fù)荷時，下層噴槍處溫度適合，噴槍自動切換至下層。這樣，不論爐膛的負(fù)荷如何變化，SNCR脫硝反應(yīng)點(diǎn)，始終處于最佳溫度區(qū)間內(nèi)。